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II
摘 要
虚拟发动机技术可以完成整个发动机研发过程的仿真,可以将独立部件或系
统集成到整个发动机仿真环境中,可以在整车环境中对动力系统进行预测和优化,
方便整车匹配、优化,达到节约人力物力财力和缩短研发周期的目的。因此,虚
拟发动机技术越来越多地被发动机及汽车企业所重视。
本论文前期工作主要分为两个部分:一、查阅大量的发动机相关文献,提炼
数学公式。在查阅的过程中发现有些数学公式要么适应范围较窄,要么精度不够,
故需要经过严谨的论证才能确定采用的数学公式是否适应于本机。二、做发动机
基础试验,做试验是取得基础数据的最重要的方法。
本论文中期工作主要是:在前期工作的基础上,运用软件编程、建模。从空
滤器、进气管、压气机、中冷器、进气歧管、缸内燃烧、排气歧管到涡轮机、排
气管、废气再循环等,经历发动机整个运转工作过程。根据不同部件的工作特性
采取不同的建模方式,如空滤器的阻力特性图比较简单,根据空滤器特性试验即
可得到,并运用 MATLAB 中拟合功能得到拟合曲线即可。增压器模块,需要用
到复杂的数学公式和插值法。
本论文后期工作主要是:模型验证与仿真。模型验证为在试验条件下,对需
要的发动机有效扭矩与本模型仿真的有效扭矩比较。模型仿真主要有:一、非 EGR
增压发动机的仿真,包括不同负荷及油门开度下发动机的转速与燃油消耗率。二、
EGR 增压发动机仿真,包括不同负荷及油门开度下 EGR 与非 EGR 增压发动机的
转速比较及燃油消耗率比较,不同转动惯量下燃油消耗率和转速的变化情况。
关键词:MATLAB/SIMULINK;虚拟发动机;建模;仿真
III
Abstract
The virtual engine technology can complete the entire engine development process
from low-end concept analysis to high-end performance assessment, can make
independent component or subsystem integrate into the whole engine simulation
environment, can predict and optimize power system in the vehicle environment, it is
convenient to match、optimize the vehicle, so that it can save manpower and material
resources and shorten development time. Therefore, more and more virtual engine
technology is accepted by the engine and auto enterprises.
Earlier stage work of this thesis is mainly divided into two parts: one, refined
mathematical formula. Some is not suitable for this article.The mathematical formula
we choose need to be well demonstrated 2, doing engine basic experiments in which
the way we get the basic data.
This thesis medium-term work is: using the software programming modeling. From
the air filter, intake pipe, compressor, etc, experience the whole process of operation of
engine. According to the working characteristic of different parts to different ways of
modeling, we use different methods.
The last part is: model validation and simulation. Model validation is under the test
conditions, compare the need of engine torque and the torque of this model simulation.
Model simulation are mainly: first, the EGR turbocharged engine simulation, including
under different load and the throttle opening of engine speed and fuel consumption rate.
Second, EGR turbocharged engine simulation, including the EGR under different load
and the throttle opening and the EGR turbocharged engine speed compare and specific
fuel consumption, fuel consumption rate and rotational speed under different moment
of inertia of the change of the situation.
Keywords: MATLAB/SIMULINK ; Virtual engine; Modeling; Simulation
IV
目录
第一章 绪论 .................................................................................................................. 1
1.1 研究背景 ......................................................................................................... 1
1.1.1 大气污染 ............................................................................................ 1
1.1.2 能源的大量消耗及能源安全 ............................................................ 1
1.2 虚拟发动机研究现状 ..................................................................................... 1
1.2.1 国内发展现状 .................................................................................... 2
1.2.2 国外发展现状 .................................................................................... 4
1.3 相关软件介绍 ................................................................................................. 4
1.3.1 MATLAB ............................................................................................. 4
1.3.2 SIMULINK .......................................................................................... 5
1.4 课题研究的主要内容及拟解决的问题和预期效果 ..................................... 5
1.4.1 课题的主要内容 ................................................................................ 5
1.4.2 拟解决的问题 .................................................................................... 5
1.4.3 本文涉及的实验设计方案 ................................................................. 6
第二章 虚拟发动机数学模型 ...................................................................................... 9
2.1 混合气体的平均气体常数 .............................................................................. 9
2.2 发动机动力学模型 ........................................................................................ 10
2.2.1 指示扭矩 ............................................................................................ 11
2.2.2 发动机机械损失扭矩 ....................................................................... 12
2.2.3 发动机输出扭矩 ............................................................................... 15
2.3 增压器动力学模型 ........................................................................................ 16
2.3.1 发动机与增压器的匹配 ................................................................... 16
2.3.2 压气机热力学与动力学模型 ........................................................... 16
2.3.3 涡轮机热力学与动力学模型 .......................................................... 19
2.3.4 涡轮和压气机的匹配 ....................................................................... 20
2.4 发动机其他部件模型 .................................................................................... 20
2.4.1 平均有效压力 ................................................................................... 20
2.4.2 充量系数 ........................................................................................... 21
2.4.3 有效热效率模型 ............................................................................... 21
2.4.4 指示热效率 ....................................................................................... 22
2.4.5 排气温度 .......................................................................................... 23
2.4.6 发动机空气流量 .............................................................................. 25
V
2.4.7 过量空气系数子模型 ...................................................................... 27
2.4.8 空滤器子模型 .................................................................................. 28
2.4.9 中冷器模型 ...................................................................................... 28
2.4.10 EGR 废气再循环 ............................................................................ 29
2.4.11 柴油机燃烧产物特性的计算 ........................................................ 33
第三章 非 EGR 增压发动机 SIMULINK 模型 ........................................................... 38
3.1 发动机动力学模型 ....................................................................................... 38
3.1.1 指示扭矩 .......................................................................................... 38
3.1.2 摩擦扭矩 .......................................................................................... 39
3.1.3 平均有效压力 .................................................................................. 40
3.1.4 平均摩擦压力 .................................................................................. 41
3.1.5 充量系数 .......................................................................................... 42
3.1.6 空气质量流量模型 .......................................................................... 43
3.1.7 过量空气系数模型 .......................................................................... 43
3.2 发动机热力学模型 ....................................................................................... 44
3.2.1 指示热效率 ....................................................................................... 44
3.2.2 有效热效率 ....................................................................................... 44
3.2.3 排气温度因子 ................................................................................... 45
3.2.4 排气温度 .......................................................................................... 46
3.3 发动机经济性模型 ....................................................................................... 47
3.3.1 有效燃油消耗率 ............................................................................... 47
3.3.2 油门开度—转速—燃油消耗率模型 ............................................... 48
3.4 增压器模型 .................................................................................................... 50
3.4.1 涡轮机模型 ...................................................................................... 50
3.4.2 压气机模型 ...................................................................................... 51
3.5 附件模型 ........................................................................................................ 51
3.5.1 空滤器 .............................................................................................. 51
3.5.2 中冷器模型 ....................................................................................... 52
3.5.3 代数环解决方案 ............................................................................... 53
3.6 增压发动机模拟 ........................................................................................... 53
3.6.1 增压发动机总图 .............................................................................. 53
3.6.2 模型验证 ........................................................................................... 54
3.6.2 不同负荷及油门开度下发动机的转速及燃油消耗率 .................. 55
第四章 EGR 增压发动机 SIMULINK 模型 ................................................................ 60
VI
4.1 最佳 EGR 率子模型 ................................................................................... 60
4.2 燃烧产物定压比热容、定容比热容及比热容比 ....................................... 60
4.3 压气机进口处平均温度 ............................................................................... 62
4.4 EGR 增压发动机模拟 ................................................................................... 63
4.4.1 EGR 与非 EGR 增压发动机的转速比较 ........................................ 64
4.4.2 EGR 与非 EGR 增压发动机的燃油消耗率比较 ............................ 67
4.4.3 不同转动惯量下燃油消耗率和转速的变化情况 ........................... 70
第五章 全文总结及工作展望 .................................................................................... 75
5.1 总结 ................................................................................................................ 75
5.2 展望 ............................................................................................................... 75
参考文献 ........................................................................................................................ 76
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 ................................................................ 78
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